(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料に水蒸気を加えて改質し、改質された燃料により電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
燃料を供給するための燃料供給手段と、
この燃料供給手段から供給された燃料に水蒸気を加えて改質することにより水素を多く含む改質ガスを生成し、それを上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
この改質器の上流側に設けられ、内部で蒸発された水蒸気を上記改質器に供給する蒸発室と、
この蒸発室に水を供給する水供給手段と、
上記燃料供給手段、及び上記水供給手段を制御すると共に、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記蒸発室内における、所定量以上の水の蒸発の発生を判定する突沸判定手段と、この突沸判定手段により突沸が判定された場合において、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制限する取出電力制限手段と、を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
さらに、上記改質器において改質された燃料を蓄積すると共に、蓄積された燃料を、上記燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットに分散させて供給する分散室と、上記改質器に送り込まれる燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、を有し、上記突沸判定手段は、上記燃料供給量検出手段により検出された燃料供給量が目標燃料供給量に対して所定量以上低下した状態が、所定時間以上継続した場合において、突沸が発生したと判定する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
さらに、上記燃料電池モジュールの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、上記突沸判定手段は、上記出力電圧検出手段により検出された出力電圧が目標出力電圧に対して所定量以上低下した場合においても、突沸が発生したと判定する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制限した場合においても、上記燃料電池モジュールからの所定量以上の電力取り出しを維持する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が大きい状態においては、発電電力が小さい状態よりも、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を小さくする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が所定量以下の場合には、上記燃料電池モジュールから取り出す電力の制限を行わない請求項５記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、供給された燃料に水蒸気を加えて改質し、改質された燃料により電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
特開２０１０−２７７８４６号公報（特許文献１）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、起動工程において、改質器内で、燃料の部分酸化改質反応、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が混在するオートサーマル改質反応、及び水蒸気改質反応を順に発生させ、改質器及び燃料電池セルスタックの温度を、発電工程が可能な温度まで高めている。また、この燃料電池装置においては、目標燃料供給量、目標空気供給量、及び水の目標供給量を夫々供給できるように、燃料供給手段、改質用空気供給手段、及び水供給手段が制御される。
【０００４】
しかしながら、特開２０１０−２７７８４６号公報記載の燃料電池装置においては、水蒸気改質用の水がパルスポンプにより間欠的に供給されるため、改質用の水が供給された後、これが短期間に蒸発され、一時的に、蒸発室及び改質器内の圧力が上昇するという問題がある。即ち、改質器内の圧力の上昇時には燃料が改質器内に供給され難くなるために、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、上述した不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料の過剰供給になってしまうという問題が発生した。
【０００５】
このような、燃料の過剰供給の問題は、水の供給量が特に少ない起動工程におけるオートサーマル改質反応の際に発生している。このため、特開２０１０−２７７８４６号公報記載の燃料電池装置では、起動工程のオートサーマル改質反応において、燃料供給手段による燃料の供給量の変更を抑制することにより、安定したオートサーマル改質反応が行われるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７７８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、本件発明者は、特開２０１０−２７７８４６号公報に記載されているような、瞬間的な水の蒸発（突沸）による弊害が、水を間欠的に供給した場合ばかりでなく、水を連続的に供給した場合にも発生するという新たな課題を見出した。また、瞬間的な水の蒸発による弊害は、起動工程のオートサーマル改質反応ばかりでなく、発電運転中にも発生しており、これが燃料電池セルの劣化に繋がるという新たな課題も見出した。さらに、発電運転中においては、特開２０１０−２７７８４６号公報に記載されている発明のように、燃料の供給量の変更を抑制することは困難であり、瞬間的な水の蒸発による弊害を十分に解決できないという技術課題が見出された。
【０００８】
従って、本発明は、発電運転中において、水蒸気改質用の水の突沸による弊害を回避することにより、燃料電池セルの劣化を抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料に水蒸気を加えて改質し、改質された燃料により電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、燃料を供給するための燃料供給手段と、この燃料供給手段から供給された燃料に水蒸気を加えて改質することにより水素を多く含む改質ガスを生成し、それを燃料電池セルスタックに供給する改質器と、この改質器の上流側に設けられ、内部で蒸発された水蒸気を改質器に供給する蒸発室と、この蒸発室に水を供給する水供給手段と、燃料供給手段、及び水供給手段を制御すると共に、燃料電池モジュールから取り出す電力を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、蒸発室内における、所定量以上の水の蒸発の発生を判定する突沸判定手段と、この突沸判定手段により突沸が判定された場合において、燃料電池モジュールから取り出す電力を制限する取出電力制限手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段及び水供給手段を制御すると共に、燃料電池モジュールから取り出す電力を制御する。水供給手段から供給された水は、改質器の上流側に設けられた蒸発室により蒸発され、改質器は、燃料供給手段から供給された燃料を、蒸発室で蒸発された水蒸気により水蒸気改質し、燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セルスタックに供給する。制御手段に備えられた突沸判定手段は、蒸発室内における水の過剰な突沸を判定し、取出電力制限手段は、水の過剰な突沸が判定されると、燃料電池モジュールから取り出す電力を制限する。
【００１１】
蒸発室内で発生する水の急激な蒸発である突沸は、蒸発室内の温度ムラや、圧力変動等に起因して発生する現象であり、水を連続的に供給した場合でも、これを十分に抑制することは困難である。本件発明者は、このような突沸は、燃料電池モジュールの発電運転中においても頻繁に発生しており、蒸発室内で大きな突沸が発生した場合には、燃料電池セルスタックにも悪影響を及ぼしているという新たな技術課題を見出した。これは、蒸発室内で大きな突沸が発生すると、改質器内の圧力が或る期間上昇して、その間、改質器内に燃料が導入されにくくなり、これにより、燃料電池セルスタックが一時的に「燃料枯れ」状態、或いは「燃料不足」の状態となることによる。「燃料枯れ」又は「燃料不足」の発生により、燃料電池セルスタックが劣化され、燃料電池セルスタックの耐用年数が短縮されてしまう。
【００１２】
本件発明は、このような新たに見出された技術課題を解決するためになされたものであり、突沸判定手段により、蒸発室内における水の過剰な突沸が判定されると、取出電力制限手段により、燃料電池モジュールから取り出す電力が制限される。これにより、蒸発室内における突沸の影響により発電能力が低下している燃料電池セルスタックからの、発電能力を超えた電力の取り出しが抑制されるので、燃料電池セルスタックの劣化が抑制され、耐用年数を飛躍的に向上させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、さらに、改質器において改質された燃料を蓄積すると共に、蓄積された燃料を、燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットに分散させて供給する分散室と、改質器に送り込まれる燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、を有し、突沸判定手段は、燃料供給量検出手段により検出された燃料供給量が目標燃料供給量に対して所定量以上低下した状態が、所定時間以上継続した場合において、突沸が発生したと判定する。
【００１４】
このように構成された本発明においては、分散室が、改質器で改質された燃料を蓄積し、蓄積された燃料を各燃料電池セルユニットに分散させて供給する。このため、改質器に導入される燃料が減少した後、その影響が各燃料電池セルユニットに及ぶまでの間に、タイムラグが発生する。また、突沸判定手段は、燃料供給量が低下した状態が所定時間以上継続した場合において、水の過剰な突沸が発生したと判定する。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、燃料減少の影響が各燃料電池セルユニットに及ぶまでにタイムラグがあるので、突沸判定手段は、燃料供給量の低下が所定時間継続するか否かを見極めた上で、過剰な突沸の発生を判定し、電力の制限を行った場合でも、各燃料電池セルユニットに対する悪影響を十分に抑制することができる。これにより、過剰な突沸の発生を正確に判定することができると共に、誤判定によって不要な電力の制限を繰り返すことにより、燃料電池モジュールの運転が不安定になるのを防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、さらに、燃料電池モジュールの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、突沸判定手段は、出力電圧検出手段により検出された出力電圧が目標出力電圧に対して所定量以上低下した場合においても、突沸が発生したと判定する。
【００１７】
本件発明者は、燃料電池セルスタックの発電能力に影響を与える程度の過剰な突沸の発生を確実に判定することは、困難であるという新たな課題を見出した。このように構成された本発明によれば、出力電圧の低下によっても水の過剰な突沸が判定されるので、燃料供給量に基づく判定により水の過剰な突沸を検出できなかった場合でも、突沸に対応した制御を確実に実行することができる。また、水の過剰な突沸に基づく「燃料枯れ」又は「燃料不足」は或る期間継続するため、出力電圧の低下が発生した後に突沸に対応した場合でも、十分に燃料電池セルスタックへの悪影響を軽減することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、取出電力制限手段は、燃料電池モジュールから取り出す電力を制限した場合においても、燃料電池モジュールからの所定量以上の電力取り出しを維持する。
【００１９】
一般に、蒸発室内で過剰な突沸が発生した場合でも、燃料供給量がゼロになることはない。このような状態において、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを完全に停止してしまうと、供給された燃料が全て燃料電池モジュール内の加熱に利用されてしまい、燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇してしまう。上記のように構成された本発明によれば、電力が制限された場合においても、所定量以上の電力取り出しが維持されるので、燃料電池セルスタックにおける「燃料枯れ」又は「燃料不足」を回避しながら、燃料電池モジュールの過剰な温度上昇を防止することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、取出電力制限手段は、燃料電池モジュールによる発電電力が大きい状態においては、発電電力が小さい状態よりも、燃料電池モジュールから取り出す電力を小さくする。
【００２１】
一般に、固体酸化物型燃料電池は、発電電力が大きいとき燃料利用率が高く、発電電力が小さいとき燃料利用率が低くなるように制御される。上記のように構成された本発明によれば、発電電力が大きい状態では、小さい状態よりも電力が大幅に制限されるので、燃料利用率が高い大電力時において確実に「燃料枯れ」又は「燃料不足」を回避しながら、小電力時においては、不要な電力の制限が行われるのを防止することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、取出電力制限手段は、燃料電池モジュールによる発電電力が所定量以下の場合には、燃料電池モジュールから取り出す電力の制限を行わない。
【００２３】
このように構成された本発明によれば、過剰な突沸の発生により「燃料枯れ」又は「燃料不足」が発生しないことが明らかな、発電電力が所定量以下の領域においては、電力の制限が行われないので、単純な制御により、不要な電力の制限を回避することができる。また、発電電力が少ない状態において、電力の制限を頻繁に行うと、発電熱の発生が少なくなるため、燃料電池モジュール内が過剰な冷却状態となる虞があるが、上記のように構成された本発明によれば、これを回避することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、発電運転中において、水蒸気改質用の水の突沸による弊害を回避することにより、燃料電池セルの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置に内蔵されている改質器の斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池装置に内蔵されている改質器の天板を取り除いて改質器の内部を示した斜視図である。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池装置に内蔵されている改質器内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による燃料電池装置における制御のフローチャートである。
【図１３】図１２のフローチャートによる制御結果の一例を示すタイムチャートである。
【図１４】発電運転中における従来の固体酸化物型燃料電池の運転状態の一例を時系列で示すグラフである。
【図１５】図１４のグラフにおいて、過剰な突沸が発生している部分を拡大して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２７】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２８】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２９】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００３０】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３１】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３２】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００３３】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００３４】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００３５】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３６】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３７】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３８】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３９】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４０】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００４１】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４２】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４３】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４４】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４５】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４６】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００４７】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００４８】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００４９】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００５０】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００５１】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
【００５２】
次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５３】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５４】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５５】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５６】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５７】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５８】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５９】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００６０】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００６１】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６２】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６３】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６４】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６５】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６６】
次に、図９乃至図１１を参照して、改質器２０の詳細な構成を説明する。
図９は改質器２０の斜視図であり、図１０は、天板を取り除いて改質器２０の内部を示した斜視図である。図１１は、改質器２０内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
【００６７】
図９に示すように、改質器２０は、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の上方に配置された直方体状の金属製の箱であり、内部には燃料を改質するための改質触媒が充填されている。また、改質器２０の上流側には水を導入するための純水導入管６０、及び燃料及び改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が接続されている。さらに、改質器２０の下流側には、内部で改質された燃料を流出させる燃料ガス供給管６４が接続されている。また、改質器２０には、長手方向に沿って８つの通気口２０ｃが設けられている。これらの通気口２０ｃは、改質器２０の下方の燃焼室１８（図２）において燃焼された燃焼ガスが円滑に改質器２０の上方に抜けるように、改質器２０の底面から上面に貫通するように設けられており、各通気口２０ｃは、改質器２０の内部には連通されていない。
【００６８】
図１０に示すように、改質器２０の内部には、その上流側に蒸発室である蒸発部２０ａが設けられ、この蒸発部２０ａに隣接して、下流側には改質部２０ｂが設けられている。蒸発部２０ａの内部には、複数の仕切り板が配置されることにより、曲がりくねった通路が形成されている。水供給手段である水流量調整ユニット２８から改質器２０に導入された水は、温度が上昇した状態では蒸発部２０ａ内で蒸発され、水蒸気となる。また、改質器２０に導入された燃料ガス、改質用空気は、蒸発部２０ａの曲がりくねった通路を通りながら水蒸気と混合される。なお、本実施形態においては、蒸発部２０ａ及び改質部２０ｂが改質器２０の内部に一体的に形成されているが、蒸発部２０ａ（蒸発室）と改質部２０ｂを別体に構成することもできる。
【００６９】
一方、改質部２０ｂの内部にも、複数の仕切り板が配置されることにより曲がりくねった通路が形成され、この通路に触媒が充填されている。蒸発部２０ａにおいて混合された燃料ガス及び改質用空気は、改質部２０ｂの通路を通りながら、部分酸化改質反応される。また、蒸発部２０ａから燃料ガス、水蒸気及び改質用空気の混合物が導入されると、改質部２０ｂでは、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生する。さらに、蒸発部２０ａから燃料ガス、及び水蒸気の混合物が導入されると、改質部２０ｂでは、水蒸気改質反応のみが発生する。
【００７０】
図１１に示すように、改質器２０の蒸発部２０ａに導入された燃料ガス、水及び改質用空気は、最初に改質器２０の横断方向に蛇行して流れ、次に２つの通路に分岐されて、改質器２０の長手方向に蛇行される。さらに、通路は再び合流され、改質器２０の中央部分で改質部２０ｂに接続される。改質部２０ｂに導入された燃料等は、改質部２０ｂの中央を長手方向に流れた後、２つに分岐して折返し、２つの通路は再び折り返して改質部２０ｂの下流端に向かい、そこで合流されて燃料ガス供給管６４に流入する。燃料は、このように蛇行した通路を通過しながら、通路に充填された触媒により改質される。
【００７１】
次に、図１４及び図１５を参照して、従来の固体酸化物型燃料電池の蒸発部における突沸現象を説明する。図１４は、発電運転中における従来の固体酸化物型燃料電池の運転状態の一例を時系列で示すグラフである。図１５は、図１４のグラフにおいて、過剰な突沸が発生している部分を拡大して示した図である。
【００７２】
図１４の最上段のグラフは、燃料供給の目標値を破線に、実際の燃料供給量を実線に示したものである。また、図１４二段目は燃料電池モジュールによる出力電圧であり、最下段は改質器の蒸発部内の圧力を示したものである。図１５は、図１４において、過剰な突沸が発生している部分の時間軸を拡大して示したものであり、最上段に発電電流を、二段目に発電電力を、三段目に燃料電池モジュールの出力電圧を、最下段には燃料供給の目標値を破線で、実際の燃料供給量を実線で示したものである。
【００７３】
図１４の最下段のグラフに示すように、改質器内の圧力は、時間と共に激しく変動している。このような圧力変動の主な原因は、蒸発部内の微少な水滴が一瞬のうちに蒸発する突沸現象によるものと考えられている。即ち、水は、蒸発されることにより、体積が３０００倍程度に膨張するため、水の蒸発と共に改質器内の圧力が急激に上昇する。このように、突沸現象は極めて頻繁に発生しており、水の供給を連続的に行ったとしても突沸の発生を皆無にすることは困難である。しかしながら、突沸による改質器内の圧力変動の大部分は、極めて短時間で収束しており、改質器に導入される燃料ガスの流量にも大きな影響を与えていない。また、改質器内の圧力が激しく変動しているにも関わらず、燃料電池モジュールの出力電圧にも殆ど変化がない。これは、改質器から流出した燃料は、一般に、分散室であるマニホールドに一旦蓄積され、そこから多数の燃料電池セルユニットに分配されるためであると考えられる。即ち、短時間の圧力変動による燃料供給量の変動であれば、マニホールド内において均質化され、各燃料電池セルユニットに実際に分配される燃料には殆ど影響を及ぼさないためと考えられる。
【００７４】
しかしながら、図１４のＡの部分においては、大きな突沸が発生しており、比較的長時間に亘って改質器内の圧力が上昇している。また、過剰な突沸が発生している部分の時間軸を拡大した図１５から明らかなように、このように過剰な突沸が発生した場合には、改質器に実際に導入される燃料ガスの流量にも大きな変動が生じている。図１５最下段の実線に示すように、過剰な突沸が発生すると、比較的長い期間に亘って、改質器内に導入される燃料供給量が減少する。このような燃料供給量の減少に対して、フィードバック制御が作用し、燃料供給量はオーバーシュートを繰り返しながら燃料供給の目標値に収束される。しかしながら、図１５三段目のグラフに示すように、燃料供給量が低下し始めた後、約５秒後に、燃料電池モジュールの出力電圧が低下し始めている。この出力電圧の低下は、燃料供給量が一時的に低下したことにより、各燃料電池セルユニットに供給される燃料の濃度が低下し、各燃料電池セルユニットの発電能力が一時的に低下したことに起因する。即ち、この状態においては、燃料供給量が低下し、発電能力が低下したにも関わらず、燃料電池モジュールから一定の電流を取り出したために、電圧降下が生じたものと考えられる。
【００７５】
このように、各燃料電池セルユニットの発電能力が低下した状態で、発電能力を超える電流（電力）を各燃料電池セルユニットから取り出すことにより、各燃料電池セルユニットは一時的に「燃料枯れ」に近い状態となり、これが各燃料電池セルユニットの劣化を進行させるという新たな技術課題が、本件発明者により見出された。上述したように、改質器の蒸発部内では、水蒸気改質用の水の突沸は頻繁に発生しており、突沸の発生を回避することは困難である。また、このような突沸の多くは小規模なものであるため、実際の燃料供給量や、各燃料電池セルユニットの発電能力に与える影響は軽微である。しかしながら、頻繁に発生する突沸の中には大規模なものもあり、このような水の過剰な突沸が発生すると、ある期間実際の燃料供給量が低下してしまい、これに伴う「燃料枯れ」又は「燃料不足」が、各燃料電池セルユニットの劣化を進行させ、燃料電池セルユニットの耐用年数を短縮する結果となる。本件発明は、このような技術課題を解決するためになされたものである。
【００７６】
次に、図１２及び図１３を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池１における制御を説明する。
図１２は、本実施形態による固体酸化物型燃料電池１における制御のフローチャートである。図１３は、図１２のフローチャートによる制御結果の一例を示すタイムチャートである。
【００７７】
図１２に示すフローチャートは、改質器２０の蒸発部２０ａ内で発生する過剰な突沸に対応するための制御サブルーチンであり、固体酸化物型燃料電池１の発電運転中において、所定の時間間隔で実行されるものである。
【００７８】
まず、図１２のステップＳ１においては、燃料電池モジュール２による発電電流が所定の電流以下であるか否かが判断される。本実施形態においては、発電電流が３Ａよりも多い場合にはステップＳ２に進み、３Ａ以下である場合には、図１２に示すフローチャートの１回の処理を終了する。即ち、発電電流が３Ａ以下である場合には突沸に対応する制御を実行せず、３Ａよりも多い場合には、必要に応じて突沸に対応する制御が実行される。なお、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の発電電流に基づいて、突沸に対応する制御の可否を判断しているが、発電電力に基づいて判定を行うこともできる。
【００７９】
本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質が使用されており、燃料電池モジュール２内を比較的高温の発電温度に維持した状態で発電が行われる。このため、供給した燃料の一部は発電に寄与せず、燃料電池モジュール２内を発電温度に維持するために使用される。上述したように、各燃料電池セルユニット１６内を流れる際に、発電に使用されることなく残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出される際に燃焼され、この燃焼熱が燃料電池モジュール２内の温度維持に利用される。このように、供給される燃料のうちの所定の量は、燃料電池モジュール２内の温度維持用に使用されるため、燃料利用率（供給された燃料のうち、発電に利用される燃料の割合）は、発電に使用される燃料の量が多くなる発電電流（発電電力）が大きい領域では高く設定され、発電電流（発電電力）が小さい領域では低く設定されている。
【００８０】
従って、発電電流が３Ａ以下の小発電電流の領域では燃料利用率が低く設定されているので、過剰な突沸により一時的に燃料供給量が低下した状態であっても、発電に使用される程度の燃料は供給されており、発電に使用するための燃料が不足する虞はない（この際、温度維持に使用される残余燃料は減少している）。このため、本実施形態においては、発電電流が３Ａ以下の場合には、突沸に対応する制御は実行されない。また、これにより、燃料不足に陥ることのない状態で、突沸に対応する制御を行うことにより、燃料電池モジュール２の状態が不安定になったり、過剰な温度低下を引き起こすのを防止することができる。
【００８１】
次に、図１２のステップＳ２においては、改質器２０の蒸発部２０ａ内で過剰な突沸が発生しているか否かが、制御部１１０に内蔵された突沸判定手段１１０ａ（図６）により判定され、過剰な突沸が発生している場合にはステップＳ３に進み、発生していない場合にはステップＳ４に進む。具体的には、制御手段である制御部１１０は、必要な発電電力に応じて設定されている目標燃料供給量Ｆｔの燃料が改質器２０に供給されるように、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８を制御している。また、燃料流量調整ユニット３８によって実際に改質器２０に送り込まれた燃料の量Ｆａは、燃料供給量検出手段である燃料流量センサ１３２（図６）により測定される。突沸判定手段１１０ａは、実際に供給されている燃料供給量Ｆａが、目標燃料供給量Ｆｔに対し所定量以上低下した状態が所定時間以上継続した場合において、蒸発部２０ａ内で過剰な突沸が発生していると、判定する。本実施形態においては、突沸判定手段１１０ａは、燃料供給量Ｆａが、目標燃料供給量Ｆｔに対し７０％以上低下、即ち、（Ｆａ／Ｆｔ）≦０．３の状態が３秒間以上連続した場合、過剰な突沸が発生したことを判定する。
【００８２】
図１３は突沸に対応する制御の制御結果の一例を示すタイムチャートであり、最上段に燃料電池モジュール２による発電電流、二段目に燃料電池モジュール２の出力電圧、最下段には実際の燃料供給量Ｆａを実線で、目標燃料供給量Ｆｔを破線で示している。図１３に示す例では、時刻ｔ１００において、実際に供給されている燃料供給量Ｆａが、目標燃料供給量Ｆｔに対し７０％以上低下した状態となり、この時刻ｔ１００から３秒後の時刻ｔ１０１において、突沸判定手段１１０ａにより、過剰な突沸が発生したことが判定されている。
【００８３】
次いで、図１２のステップＳ３においては、制御部１１０に内蔵された取出電力制限手段１１０ｂ（図６）は、突沸対応制御として、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出す電流を制限する。図１３に示す例では、時刻ｔ１０１において過剰な突沸が発生したことが判定されると、取出電力制限手段１１０ｂは、発電電流を５０％低下させ、電力の取り出しを制限している。
【００８４】
図１５に示した従来の固体酸化物型燃料電池においては、過剰な突沸が発生した後、燃料電池モジュールの出力電圧は低下している。これは、過剰な突沸の発生により、実際の燃料供給量が目標燃料供給量よりも減少し、燃料電池セルスタックの発電能力が低下した状態で、突沸の発生前と同一の電流を燃料電池モジュールから取り出したためである。このような電圧降下は、燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットに負担をかけ、各燃料電池セルユニットの劣化を進行させる結果となる。これに対し、本実施形態による図１３では、時刻ｔ１０１において過剰な突沸の発生を判定した後、燃料電池モジュール２から取り出す電流を低下させることにより、電力の取り出しが制限されているため、出力電圧の低下が回避されている。なお、本実施形態においては、実際に供給されている燃料供給量Ｆａが低下し始めた後、この状態が３秒間継続するか否かを待って取り出し電力の制限を行っているが、燃料電池モジュール２の出力電圧の低下を回避することができる。ここで、改質器２０から流出した燃料は、燃料ガス供給管６４及び分散室であるマニホールド６６を通って各燃料電池セルユニット１６に到達する。このため、改質器２０に導入される実際の燃料供給量が低下し始めた後、その影響が各燃料電池セルユニット１６に及び、電圧降下が始まるまでには５秒程度のタイムラグがある。従って、燃料供給量の低下が所定時間継続するものであるか否かを見極めた後でも電圧降下を回避することができる。また、図１３に示す例においては、実際の燃料供給量の低下による発電能力の低下分よりも多く電力の取り出しが抑制されているため、燃料電池モジュール２の出力電圧は逆に上昇している。
【００８５】
また、取出電力制限手段１１０ｂによる電力取り出しの制限は、燃料電池モジュール２から取り出す電力を５０％以下に低下させながら、所定量以上の電力の取り出しを維持することが好ましい。これは、過剰な突沸が発生した状態であっても、実際の燃料供給量がゼロまで低下することはなく、ある程度の燃料の供給は継続された状態になる。このため、燃料電池モジュール２からの電力の取り出しを完全に停止させてしまうと、発電に寄与しない余剰燃料が増加するばかりでなく、大量の余剰燃料が燃焼されることにより、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇するという問題が発生する。このような問題を回避するために、過剰な突沸の発生が判定された場合には、取り出す電力を大幅に減少させながらも、電力の取り出しを維持するのが好ましい。しかしながら、改質器内での発生が想定される突沸の規模や、燃料電池モジュールの断熱性等の条件によっては、電力取り出しの制限において、電力の取り出しを完全に停止させることもできる。
【００８６】
図１２のステップＳ３において開始された電力取り出しの制限は、続くステップＳ６において約２秒間継続される。次いで、ステップＳ７において、電力取り出しを制限する突沸対応制御が終了し、図１２に示すフローチャートの１回の処理を終了する。図１３に示す例では、時刻ｔ１０２において電力取り出しの制限が終了している。なお、図１３に示すように、本実施形態においては、時刻ｔ１０２において電力取り出しの制限が終了した後も、瞬時に電力取り出し量が制限前のレベルに増加されるのではなく、少しずつ取り出し量が回復され、時刻ｔ１０３において、制限前のレベルに回復されている。この制御は、本実施形態においては、電力の取り出し量を増加させる際の通常の制御であり、例えば、需要電力の増加に対応して電力の取り出し量を増加させる場合も、同様の制御が実行される。
【００８７】
一方、図１２のステップＳ２において、過剰な突沸の発生が判定されていない場合にはステップＳ４に進み、ステップＳ４においては、燃料電池モジュール２の出力電圧が適正な値であるか否かが判断される。具体的には、出力電圧検出手段である電力状態検出センサ１２６により測定された燃料電池モジュール２の出力電圧Ｖａが、目標出力電圧Ｖｔに対して所定量以上低下しているか否かが判断される。本実施形態においては、出力電圧Ｖａが目標出力電圧Ｖｔよりも３０％以上低い状態、即ち、（Ｖａ／Ｖｔ）≦０．７となるまで電圧が降下しているか否かが、突沸判定手段１１０ａにより判断される。電圧降下している場合にはステップＳ５に進み、電圧降下していない場合には、図１２のフローチャートの１回の処理を終了する。
【００８８】
上記のように、過剰な突沸が発生し、燃料電池セルスタック１４の発電能力が低下した状態で電力の取り出しを維持すると、燃料電池モジュール２の出力電圧が低下する。また、燃料電池モジュール２が正常に運転されている場合においても、出力電流の増加に伴い出力電圧は低下するので、各出力電流に対して想定される適正な出力電圧が目標出力電圧Ｖｔとして予め設定されている。ステップＳ４においては、このように出力電流毎に想定されている目標出力電圧Ｖｔに対して、測定された出力電圧Ｖａが低下した割合が判定される。このように、想定されている目標出力電圧Ｖｔに対して出力電圧Ｖａが大幅に低下している場合には、実際の燃料供給量Ｆａの継続的な低下が観測されていなくとも、過剰な突沸が発生している可能性が高いため、突沸判定手段１１０ａは過剰な突沸が発生したと、判断する。
【００８９】
過剰な突沸の発生が判断されると、ステップＳ５においては、突沸対応制御として、取出電力制限手段１１０ｂにより、燃料電池モジュール２からインバータ５４に取り出す電流が７０％低下される。即ち、燃料電池モジュール２から取り出される電流は、電力取り出し制限前の３０％の値に制限される。図１２のステップＳ５において開始された電力取り出しの制限は、続くステップＳ６において約２秒間継続される。次いで、ステップＳ７において、電力取り出しを制限する突沸対応制御が終了し、図１２に示すフローチャートの１回の処理を終了する。
【００９０】
なお、ステップＳ２において、燃料供給量Ｆａの継続的な低下が観測された場合には、燃料電池モジュール２から取り出される電流が５０％低下されるのに対し、ステップＳ５において出力電圧の低下が判定された場合には、取り出される電流は、より大幅に７０％低下される。このように、出力電圧の低下に基づいて電力の取り出しを制限する場合には、燃料供給量Ｆａの継続的な低下に基づいて制限を行う場合よりも大幅に制限を加える。これは、燃料電池モジュール２の出力電圧が低下し始めている状態においては、各燃料電池セルユニット１６における燃料の不足が既に始まっているため、より大幅に発電量を減じることにより、より確実に各燃料電池セルユニット１６を保護するためである。
【００９１】
また、燃料供給量Ｆａの継続的な低下が判定されていない場合にも、バックアップとして出力電圧の低下により、過剰な突沸の発生を判定しているので、測定誤差等により、燃料供給量Ｆａの継続的な低下を検出できない場合においても、過剰な突沸の発生による悪影響を抑制することができる。また、出力電圧の低下が検出されると、直ちに電力取り出しの制限を開始するので、電圧降下が検出された後であっても、各燃料電池セルユニット１６への悪影響を軽微に抑制することができる。
【００９２】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、突沸判定手段１１０ａにより、蒸発部２０ａ内における水の過剰な突沸が判定される（図１２のステップＳ２、Ｓ４）と、取出電力制限手段１１０ｂにより、燃料電池モジュール２から取り出す電力が制限される（図１２のステップＳ３、Ｓ５）。これにより、蒸発部２０ａ内における突沸の影響により発電能力が低下している燃料電池セルスタック１４からの、発電能力を超えた電力の取り出しが抑制されるので、燃料電池セルスタック１４の劣化が抑制され、耐用年数を飛躍的に向上させることができる。
【００９３】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、マニホールド６６（図２）が設けられていることにより、燃料減少の影響が各燃料電池セルユニット１６に及ぶまでにタイムラグがある。このため、突沸判定手段１１０ａは、燃料供給量の低下が所定時間継続するか否かを見極めた上で、過剰な突沸の発生を判定し（図１２のステップＳ２）、電力の制限を行った場合でも、各燃料電池セルユニット１６に対する悪影響を十分に抑制することができる。これにより、過剰な突沸の発生を正確に判定することができると共に、誤判定によって不要な電力の制限を繰り返すことにより、燃料電池モジュール２の運転が不安定になるのを防止することができる。
【００９４】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、出力電圧の低下によっても水の過剰な突沸が判定される（図１２のステップＳ４）ので、燃料供給量に基づく判定（図１２のステップＳ２）により水の過剰な突沸を検出できなかった場合でも、突沸に対応した制御を確実に実行することができる。また、水の過剰な突沸に基づく「燃料枯れ」又は「燃料不足」は或る期間継続する（図１５）ため、出力電圧の低下が発生した後に突沸に対応した場合でも、十分に燃料電池セルスタック１４への悪影響を軽減することができる。
【００９５】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、電力が制限された場合においても、所定量以上の電力取り出しが維持される（図１２のステップＳ３、Ｓ５）ので、燃料電池セルスタック１４における「燃料枯れ」又は「燃料不足」を回避しながら、余剰燃料の増加による燃料電池モジュール２の過剰な温度上昇を防止することができる。
【００９６】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、取出電力制限手段１１０ｂは、燃料電池モジュール２による発電電流が所定量以下の場合には、電力の制限は実行しない（図１２のステップＳ１）。このため、過剰な突沸の発生により「燃料枯れ」又は「燃料不足」が発生しないことが明らかな、発電電力（電流）が所定量以下の領域において、電力の制限が行われることがなく、単純な制御により、不要な電力の制限を回避することができる。
【００９７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。
また、上述した本発明の実施形態においては、発電電流が３Ａ以下の場合には、突沸対応制御が行われないように構成されていた（図１２のステップＳ１）が、変形例として、発電電流又は発電電力に応じて、燃料電池モジュール２から取り出される電力の制限を変更することもできる。例えば、燃料電池モジュール２による発電電力が大きい状態においては、発電電力が小さい状態よりも、燃料電池モジュール２から取り出す電力を大幅に制限する（取り出し電力を小さくする）ように本発明を構成することもできる。
【００９８】
本変形例によれば、発電電力が大きい状態では、小さい状態よりも電力が大幅に制限されるので、燃料利用率が高い大電力時において確実に「燃料枯れ」又は「燃料不足」を回避しながら、小電力時においては、不要な電力の制限が行われるのを防止することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材（蓄熱材）
８    密封空間
１０    発電室
１２    燃料電池セル集合体
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セルユニット（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室（燃焼部）
２０    改質器
２０ａ  蒸発部
２０ｂ  改質部
２０ｃ  通気口
２２    空気用熱交換器
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給手段）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０    空気供給源
４４    改質用空気流量調整ユニット
４５    発電用空気流量調整ユニット（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
６０    純水導入管
６２    被改質ガス導入管
６４    燃料ガス供給管
６６    マニホールド（分散室）
７６    空気導入管
７６ａ  吹出口
８３    点火装置
８４    燃料電池セル
１１０    制御部（制御手段）
１１０ａ  突沸判定手段
１１０ｂ  取出電力制限手段
１１２    操作装置
１１４    表示装置
１１６    警報装置
１２６    電力状態検出センサ（出力電圧検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出手段）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４０    排気温度センサ
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８    改質器温度センサ（温度検出手段）
１５０    外気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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